交流傳動(dòng)與直流傳動(dòng)優(yōu)劣的比較

1、交流傳動(dòng)與直流傳動(dòng)優(yōu)劣的比較、交流傳動(dòng)背景介紹1、發(fā)展歷程電力傳動(dòng)誕生于19世紀(jì)，20世紀(jì)初被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸和 日常生活中。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，則稱為直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由交流電 動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，則稱為交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。20世紀(jì)30年代，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)一種最理想的調(diào)速 方法；60年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和變頻調(diào)速裝置的研制成功，交流調(diào) 速技術(shù)成為電動(dòng)機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向；70年代中期，在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)能源危機(jī)， 節(jié)約能源成為人們關(guān)注的問題；許多過去不調(diào)速的傳動(dòng)裝置，如風(fēng)機(jī)、水泵等， 也都采用了調(diào)速傳動(dòng)；90年代以來，隨著大功率電力電子器件和微電子技術(shù)的

2、 飛速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論和控制技術(shù)的應(yīng)用，交流傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)取得了突破 性的進(jìn)展，逐步具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快以及可作四象限運(yùn) 行等優(yōu)良的技術(shù)性能。目前，交流傳動(dòng)已經(jīng)作為一種完全被肯定的系統(tǒng)，大舉進(jìn) 入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。2、交流傳動(dòng)電力機(jī)車發(fā)展綜述隨著科技的進(jìn)步，電力機(jī)車的發(fā)展方向逐漸成為以安全性、實(shí)用性、可靠性、 靈活性、舒適性越高越好；費(fèi)用越低越好的發(fā)展目標(biāo)。但是，不可避免的，存在 著地域規(guī)范、供電制式、空間、體積、重量、技術(shù)水平、工藝水平等限制。隨著 電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、新材料、新工藝等的出現(xiàn)與發(fā)展，行業(yè)從業(yè)者們滿 足運(yùn)輸?shù)男枨?，充分利用新技術(shù)，利用新材

3、料，采用新工藝從而實(shí)現(xiàn)新一代電力 機(jī)車的發(fā)展。3、交流傳動(dòng)電力機(jī)車的組成圖1-1機(jī)車內(nèi)部構(gòu)造4、我國(guó)交流傳動(dòng)機(jī)車的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)交流傳動(dòng)技術(shù)的研究始于70年代初，可以說起步不晚，但國(guó)際上80 年代初交流傳動(dòng)機(jī)車就已經(jīng)進(jìn)入商用化，技術(shù)日趨成熟。鐵道部主管領(lǐng)導(dǎo)曾指出，我國(guó)發(fā)展交流傳動(dòng)不要跟在別人后面先KK,后GTO,再IGBT 一步一步地走老路 繞彎子，應(yīng)跨過GTO階段，直接發(fā)展IGBT技術(shù)，縮短我國(guó)與國(guó)際上當(dāng)今先進(jìn)技 術(shù)的差距。到90年代我國(guó)由株洲電力機(jī)車研究所和鐵道部科學(xué)研究院共同研制的，功 率達(dá)1000kW的電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)獲得成功。在此基礎(chǔ)上，由株洲電力機(jī)車 廠、株洲電力機(jī)車研究所于19

4、96年共同研制的4軸4000kW，我國(guó)第一臺(tái)交流傳 動(dòng)電力機(jī)車（原形車）誕生。以AC4000命名的交流傳動(dòng)機(jī)車的研制，標(biāo)志著我 國(guó)電力機(jī)車進(jìn)入交流傳動(dòng)時(shí)代。1999年9月我國(guó)首臺(tái)交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車“捷力型”調(diào)車內(nèi)燃機(jī)車研制成功； 2000年6月由大連機(jī)車車輛廠和西門子公司合作研制生產(chǎn)的DF4DJ型交流傳動(dòng) 內(nèi)燃機(jī)車落成，該機(jī)車為客貨運(yùn)兩用，它的研制成功標(biāo)志著我國(guó)大功率內(nèi)燃機(jī)車 跨入了將全面實(shí)現(xiàn)交流化的新時(shí)代。機(jī)車設(shè)計(jì)軸重為233%，計(jì)算整備重量為 1383%t,機(jī)車的最大速度為145km/h，持續(xù)速度為19.9km/h，持續(xù)牽引力為 444kN，輪周功率為2460kW，輪周制動(dòng)功率為2850kW

5、。二、直流傳動(dòng)介紹1、直流傳動(dòng)概述直流傳動(dòng)系統(tǒng)主要分為兩種：直-直傳動(dòng)系統(tǒng)和交-直傳動(dòng)系統(tǒng)。直-直傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理：直流斬波實(shí)現(xiàn)直流電壓調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)主要在地鐵 機(jī)車、工礦機(jī)車等傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。交-直傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理：整流器實(shí)現(xiàn)AC-DC變換并調(diào)節(jié)電壓。該系統(tǒng)主要 在干線電力機(jī)車及內(nèi)燃機(jī)車中采用。圖2-1直-直傳動(dòng)系統(tǒng)圖2-2交-直傳動(dòng)系統(tǒng)直流定壓 恒屯速度調(diào)節(jié)方法：由n = 土竺可得，有三種方法，調(diào)節(jié)電樞電壓，調(diào)節(jié)電樞 C中電流和調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。2、直流調(diào)速的理論分析調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速技術(shù)指標(biāo)主要分為：靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。2.1靜差度S靜差度S表示出生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的程度。根據(jù)S =約二=里，

6、當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，生產(chǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速的變化要能維持在一 n0n0定范圍之內(nèi)，即要求靜差度S小于一定數(shù)值圖2-3調(diào)速曲線電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性愈硬，則靜差度愈小，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性就愈高；在一個(gè) 調(diào)速系統(tǒng)中，如果在最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)能滿足靜差度的要求，則在其他轉(zhuǎn)速時(shí)必能 滿足要求2.2調(diào)速范圍D在額定負(fù)載下，允許的最高轉(zhuǎn)速和在保證生產(chǎn)機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速變化率要求的前提 下所能達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍。2.3動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)從一種穩(wěn)定速度變化到另一種穩(wěn)定速度運(yùn)轉(zhuǎn)所經(jīng)過的一段過渡過程，稱為動(dòng) 態(tài)過程。3、負(fù)載特性與調(diào)速方式(a)恒轉(zhuǎn)矩型(b)恒功率型圖2-4負(fù)載類型負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩型的生產(chǎn)機(jī)械應(yīng)盡可能選用恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的調(diào)速方式，且電

7、動(dòng)機(jī) 的額定轉(zhuǎn)矩T應(yīng)等于或略大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL；負(fù)載為恒功率型的生產(chǎn)機(jī)械應(yīng)盡可 能選用恒功率性質(zhì)的調(diào)速方式，且電動(dòng)機(jī)的額定功率PN應(yīng)等于或略大于生產(chǎn)機(jī) 械的靜負(fù)載功率PL。4、直流傳動(dòng)機(jī)車控制系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)象被調(diào)量放大 調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)給定蘇節(jié)圖2-5閉環(huán)控制系統(tǒng)圖2-6交直電力機(jī)車主電路三、交流傳動(dòng)介紹1、交流傳動(dòng)概述交流傳動(dòng)系統(tǒng)主要分為三種：直-交傳動(dòng)系統(tǒng)、交-交傳動(dòng)系統(tǒng)和交-直-交傳 動(dòng)系統(tǒng)。直-交傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理：逆變器實(shí)現(xiàn)DC-AC變換并調(diào)節(jié)電壓。該系統(tǒng)主要 在干線電力機(jī)車及內(nèi)燃機(jī)車中采用。交-交傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理：變流器將頻率電壓恒定的三相交流電變換成頻率 電壓可調(diào)的三相交流電。該系統(tǒng)主要應(yīng)用在低

8、頻交流傳動(dòng)系統(tǒng)中如軋鋼等。交-直-交傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理：將頻率電壓恒定的三相交流電變換成直流電， 再將直流電變換成頻率電壓可調(diào)的三相交流電。該系統(tǒng)廣泛用于交通、工業(yè)、能源等領(lǐng)域。圖3-1直-交傳動(dòng)系統(tǒng)圖3-2交-交傳動(dòng)系統(tǒng)直頻率電壓可謂的三相圖3-3交-直-交傳動(dòng)系統(tǒng)交流傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速方法主要有三種:變頻調(diào)速5 = % （1 一變極調(diào)速I改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變極調(diào)速：有級(jí)的；變轉(zhuǎn)差調(diào)速：不能改變電動(dòng)機(jī)的同步速度，調(diào)速范圍有限，損耗大，效率低；變頻調(diào)速：效率高，調(diào)速范圍廣，調(diào)節(jié)精度高，目前應(yīng)用最廣泛，最有市場(chǎng) 前景。在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素是：希望保持電機(jī)中每極磁 通量為額定值不變。如果磁

9、通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如 果過分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組 過熱而損壞電機(jī)。因此，在調(diào)頻調(diào)速時(shí)，需要同時(shí)改變加在電機(jī)上的電壓（VF + VV）。異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速 時(shí)轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時(shí)效率都較高， 在采取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美，因此現(xiàn)在 應(yīng)用面很廣。2、交流傳動(dòng)的技術(shù)特點(diǎn)人們很早地認(rèn)識(shí)到交流傳動(dòng)的優(yōu)越性。交流傳動(dòng)技術(shù)是一門綜合技術(shù)，但其 本質(zhì)的特點(diǎn)是牽引電動(dòng)機(jī)采用了交流異步電動(dòng)機(jī)，其一系列的優(yōu)點(diǎn)都是由此而表 現(xiàn)出來的。交流傳

10、動(dòng)機(jī)車所以成為現(xiàn)代機(jī)車發(fā)展的方向，正是由異步電動(dòng)機(jī)的特 點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)所決定的。和傳統(tǒng)的串激直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)越之處表現(xiàn)在機(jī)械、絕緣、耐熱、耐潮、粘著、維修、效率、重量尺 寸等諸多方面。2.1構(gòu)造簡(jiǎn)單異步電動(dòng)機(jī)是所有電機(jī)中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)，除軸承外，沒有其他機(jī)械接 觸部分。串激直流電動(dòng)機(jī)則不然，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。定子、轉(zhuǎn)子都有絕緣要求很高的繞 組，有換向器裝置和電刷機(jī)構(gòu)，磨擦部分多，接線復(fù)雜，機(jī)械轉(zhuǎn)速受換向條件和 機(jī)械強(qiáng)度的限制，只能達(dá)到 2500r/min左右。而交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá) 4000r/min以上，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速甚至可達(dá)6000r/min，這是直流電機(jī)所忘塵莫急的

11、。2.2粘著性能好異步電動(dòng)機(jī)有很硬的機(jī)械特性，所以當(dāng)某電機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高， 轉(zhuǎn)矩很快降低，具有很強(qiáng)的恢復(fù)粘著的能力?？辙D(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)速上升值不大，即 使是同步轉(zhuǎn)速，與原工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)速差不會(huì)超出5%以上。串激電動(dòng)機(jī)則不然，轉(zhuǎn) 矩變化一點(diǎn)，轉(zhuǎn)速就有很大的變化。異步電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)可以很方便地進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)最大可能的粘著利 用，不會(huì)出現(xiàn)粘著中斷情況。根據(jù)檢測(cè)有關(guān)粘著控制的信號(hào)，準(zhǔn)確、迅速地改變 逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工作點(diǎn)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既不能發(fā)生空轉(zhuǎn)，又能 充分發(fā)揮最大的牽引力?？蓪?shí)現(xiàn)各軸單獨(dú)控制。當(dāng)某臺(tái)電機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，可調(diào)節(jié)該臺(tái)電機(jī)，這樣能充 分利用機(jī)車的粘著性能。在交一直傳動(dòng)

12、系統(tǒng)中，某軸空轉(zhuǎn)時(shí)，需要使所有各軸電 機(jī)卸載，這樣就大大降低了機(jī)車的牽引能力。2.3功率大，牽引力大這個(gè)概念是指在其它條件大致相同的前提下，在機(jī)車結(jié)構(gòu)所提供的空間條 件下，可以裝更大功率的異步電動(dòng)機(jī)。如加拿大改造的CP4744號(hào)機(jī)車，在給定 的設(shè)計(jì)空間條件下，直流電動(dòng)機(jī)的功率大約被限制在600700kW/軸。裝用BBC6FRA40B異步牽引電動(dòng)機(jī)，其功率可達(dá)1492kW/軸以上。正因如此，才可使機(jī) 車的牽引功率大大提高。牽引功率大導(dǎo)致牽引力大，而又由于粘著性能好，大的 牽引力能充分發(fā)揮其牽引能力。我們可以比較一下 ND5型交直流傳動(dòng)機(jī)車和 SD60MAC交流傳動(dòng)機(jī)車的牽引力情況：ND5機(jī)車的柴

13、油機(jī)的標(biāo)定功率為2940kW， 起動(dòng)牽引力為533.6kN，持續(xù)速度為22.2km/h時(shí)的持續(xù)牽引力為359.8kN； SD60MAC機(jī)車的柴油機(jī)的標(biāo)定功率為2835kW，起動(dòng)牽引力為781kN，持續(xù)速度為 20.5km/h時(shí)的持續(xù)牽引力為521kN。后者與前者相比，不論起動(dòng)牽引力和持續(xù)牽 引力都高出45%。目前，從國(guó)外統(tǒng)計(jì)資料來看，不同類型電機(jī)其單位重量功率可達(dá)到的比值為: 直流電動(dòng)機(jī)為0.33kW/kg，同步電動(dòng)機(jī)為0.5kW/kg，異步電動(dòng)機(jī)為0.68kW/kg。 隨著科技的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)的單位重量功率將越來越高。如日本新干線300 系列原型試驗(yàn)車，所采用的交流異步牽引電動(dòng)機(jī)其功率達(dá)到

14、300kW，而其重量不 足400kg，單位重量功率可達(dá)0.75kW/kg。這一經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)世界各國(guó)正在 大力發(fā)展的重載和高速機(jī)車尤為有利。2.4可靠性高，維修簡(jiǎn)便交流異步電動(dòng)機(jī)無換向器、無電刷裝置；除軸承外無磨擦部件，密封性好， 防潮、防塵、防雪性能好；全部電氣部件均是絕緣的，且所用絕緣材料均為H 級(jí)或F級(jí)，絕緣性能好，耐熱性能好。因此故障率低，可靠性高?？刂蒲b置是模 塊結(jié)構(gòu)，故障率也很低，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全部運(yùn)行過程和控制過程均由無觸點(diǎn)電子元 件完成，所以不存在傳統(tǒng)系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生的觸點(diǎn)磨損、粘連、接觸不良、機(jī)械卡 滯等問題。CP4744型機(jī)車的運(yùn)用實(shí)踐表明：只發(fā)生過極少的故障，而這些故障 無一

15、件與逆變器或牽引電動(dòng)機(jī)一類的主要硬件有關(guān)。MaK公司制造的交流牽引電 動(dòng)機(jī)連續(xù)工作7年沒有發(fā)生過一件燒損事故。據(jù)美國(guó)伯靈頓北方鐵路介紹，該公 司直流電動(dòng)機(jī)的大修期一般在4萬公里至48萬公里之間，而交流牽引電動(dòng)機(jī)的 大修期可高達(dá)120160萬公里。另外交流傳動(dòng)機(jī)車有完備的微機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)和故障 診斷系統(tǒng)，可隨時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)行故障診斷。綜上所述，可知交流傳 動(dòng)系統(tǒng)的可靠性是很高的，維修量很小，且檢修簡(jiǎn)便，維修費(fèi)用大大降低。加拿 大CP4744型交流傳動(dòng)機(jī)車的應(yīng)用實(shí)踐表明：不僅延長(zhǎng)了計(jì)劃修間隔，而且減少 了計(jì)劃外修理次數(shù)，每臺(tái)機(jī)車每年可減少計(jì)劃外修6次。2.5效率高，利用率高、使用靈活性強(qiáng)交流

16、傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率約為0.90，而交直流傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率約為0.86。 E120交流傳動(dòng)機(jī)車在長(zhǎng)期應(yīng)用對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，客運(yùn)作業(yè)時(shí)可節(jié)能36%，貨運(yùn)作業(yè) 時(shí)可節(jié)能810%。由可靠性、耐久性和易于維修的結(jié)合，使交流傳動(dòng)機(jī)車的利用 率顯著提高。與直流傳動(dòng)機(jī)車相比，BBC交流傳動(dòng)機(jī)車的利用率提高了 10%。對(duì) 鐵路運(yùn)營(yíng)管理來說，在計(jì)算所需數(shù)量時(shí)，機(jī)車?yán)寐势鹬匾饔?，?duì)所需投資 有決定性的影響。交流傳動(dòng)機(jī)車有很強(qiáng)的使用靈活性，它既可滿足貨運(yùn)的大的起 動(dòng)牽引力的要求，又可滿足客運(yùn)高速度的要求。2.6動(dòng)力性能好、制動(dòng)性能好異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)采用特殊的懸掛裝置，簧下重量小，有 較高的曲線通過能力，

17、對(duì)軌面的沖擊力小?？稍趶V闊的速度范圍內(nèi)實(shí)行電制動(dòng)， 甚至可以制動(dòng)到零，制動(dòng)功率大。一部分電制動(dòng)的能量可用于其它輔助設(shè)備。3、主要應(yīng)用領(lǐng)域 一般性能的節(jié)能調(diào)速和按工藝要求調(diào)速；高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)；特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速。四、交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中的電力變換器，無論是電源側(cè)的變流器還是電機(jī)側(cè)的變 流器都是開關(guān)電路，電路中開關(guān)元件的周期性通斷，破壞了交流電壓、電流的連 續(xù)性和正弦性。從而產(chǎn)生的電壓電流中高次諧波會(huì)嚴(yán)重危害交流電網(wǎng)和惡化電機(jī) 運(yùn)行性能。目前消除諧波含量的有效方法電力變換器采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)。 該技術(shù)可以提高諧波的頻率，從而減小濾波的難度，高效

18、濾波，減小濾波裝置的 體積和重量。1、調(diào)速系統(tǒng)的分類1.1轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，在三類異步電動(dòng) 機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時(shí)效率越低，它是以增加轉(zhuǎn) 差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速降低的(恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí))。可是，相對(duì)來說這類系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)值。1.2轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流裝置饋出 或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多。無論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除 變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高， 但要增加一些設(shè)備。1

19、.3轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本 不變，因此效率更高。其中變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的，應(yīng)用場(chǎng)合有限。只有變壓變 頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速，但在定 子電路中須配備與電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。2、控制系統(tǒng)電路圖4-1交流控制系統(tǒng)電路圖4-2交流傳動(dòng)機(jī)車主電路五、兩種傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)劣比較1、概述從電機(jī)結(jié)構(gòu)上比較：直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率和維修成本高；交流電機(jī)結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，故障率低。直流電機(jī)所固有的換向器使直流電機(jī)不能承受很 高的旋轉(zhuǎn)速度，使直流電機(jī)不能做到小型化、輕量化。另外，交流

20、電機(jī)同功 率下有較小的體積和重量。直流電機(jī)容量有限，不能滿足大功率場(chǎng)合的功率要求。而交流電機(jī)的功率可 以做的很大。交流電機(jī)陡峭的機(jī)械特性，使列車具有黏著自恢復(fù)特性；而直流電機(jī)的機(jī)械 特性較平緩。交-直傳動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù)只有0.70.8,做再生電制動(dòng)時(shí)功率因數(shù)更低。而 交流傳動(dòng)系統(tǒng)因?yàn)椴捎盟南笙廾}沖整流器，功率因數(shù)接近1。交-直傳動(dòng)系統(tǒng)的恒功系數(shù)只能達(dá)到1.6,而交流傳動(dòng)系統(tǒng)的恒功系數(shù)能達(dá)到 2.5。直流傳動(dòng)容易控制轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，可用于精細(xì)的控制；但是功率不 宜過大，且使用直流電源，獲取不方便。交流傳動(dòng)使用交流電源，很方便獲取，但是要控制轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)較復(fù)雜， 需要比較先進(jìn)的電力電子技術(shù)

21、和較好的控制方式，控制成本較高。在沒有出 現(xiàn)電力電子技術(shù)之前，只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，應(yīng)用不廣泛。交-直流傳動(dòng)系統(tǒng)采用的相控整流功率因數(shù)低，產(chǎn)生的電壓電流中高次諧波 會(huì)嚴(yán)重危害交流電網(wǎng)和惡化電機(jī)運(yùn)行性能。而交流傳動(dòng)系統(tǒng)目前廣泛采用脈 寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，使得功率因數(shù)接近1，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，優(yōu)化了 電機(jī)運(yùn)行性能。2、交流傳動(dòng)與直流傳動(dòng)的比較2.1機(jī)車工作原理的比較直流傳動(dòng)電力機(jī)車包括直直型電力機(jī)車和交直型整流器電力機(jī)車。直直型電力機(jī)車是由直流電源供電，直流串勵(lì)牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過串并聯(lián)切 換加凸輪變阻或晶閘管斬波器調(diào)阻（調(diào)壓）方式進(jìn)行調(diào)速和控制的機(jī)車。一般工礦用4軸電力機(jī)車串并聯(lián)切換加凸輪變阻

22、的電傳動(dòng)裝置的工作過程 為:機(jī)車由受電弓從接觸網(wǎng)取得直流電，經(jīng)斷路器QF，啟動(dòng)電阻R，向4臺(tái)直流 牽引電動(dòng)機(jī)M1-M4供電，牽引電流經(jīng)鋼軌流回變電所。隨著4臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)接通 電源即行旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，分別通過各自的齒輪傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)機(jī)車動(dòng) 輪實(shí)現(xiàn)牽引運(yùn)行。交直型整流器電力機(jī)車的能量傳遞是將接觸網(wǎng)供給的單相工頻交流電，經(jīng)機(jī) 車內(nèi)部的牽引變壓器降壓，再經(jīng)整流裝置將交流轉(zhuǎn)換為直流，然后向直流（脈流） 牽引電動(dòng)機(jī)供電，從而產(chǎn)生牽引力牽引列車運(yùn)行。交（直）交型電力機(jī)車是指由各種變流器供電的交流異步或同步電動(dòng)機(jī)作為 傳動(dòng)電機(jī)的電力機(jī)車或電動(dòng)車組。根據(jù)變流器是否帶中間回路，分為交直交變流器和交交變流器

23、兩類。根據(jù)中 間回路選擇元件的不同，又分為電壓型系統(tǒng)、電流型系統(tǒng)兩種基本結(jié)構(gòu)。因此電 力牽引領(lǐng)域的交流傳動(dòng)機(jī)車基本上有兩類：電流型變流器供電的同步或籠型異步 電動(dòng)機(jī)機(jī)車和電壓型變流器供電的籠型異步電動(dòng)機(jī)機(jī)車。電壓型變流器供電的籠型異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理。來自接觸網(wǎng)的單相交流電經(jīng) 受電弓引入機(jī)車變壓器，在牽引變壓器中變換成所需的合適電壓后送人電源側(cè)變 流器，將單相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，提供給中間回路經(jīng)平滑功率脈動(dòng)，送入電動(dòng) 機(jī)側(cè)的變流器，將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電供給三相異步牽引 電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)牽引運(yùn)行。在這個(gè)系統(tǒng)中，機(jī)車先將電網(wǎng)的交流能量轉(zhuǎn)換為直流能 量，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓和頻率可調(diào)的

24、交流能量。由于電壓型變流器供電的籠型異步電動(dòng)機(jī)機(jī)車的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及對(duì)電網(wǎng)的反 作用小，適合于較大功率的機(jī)車，因此干線交流傳動(dòng)電力機(jī)車絕大部分都采用這 種系統(tǒng)。直流傳動(dòng)機(jī)車，無論是直直型還是交直型，共同點(diǎn)是采用直（脈）流牽引電 動(dòng)機(jī)，都可通過控制勵(lì)磁電流使?fàn)恳姍C(jī)具有所要求的軟特性和良好的防空轉(zhuǎn)性 能，脈流牽引電動(dòng)機(jī)雖然在結(jié)構(gòu)上與直流電機(jī)有所不同，但其工作原理基本上與 直流電機(jī)相同，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)是存在電刷和換向器，無法改變電機(jī)存 在的火花和環(huán)火的致命缺陷，從而限制了直流電動(dòng)機(jī)的功率和容量，不能很好地 滿足鐵路高速重載的發(fā)展要求，繼而限制了直流傳動(dòng)機(jī)車的發(fā)展，因此在機(jī)車上 采用無整流子的交

25、流電動(dòng)機(jī)成為趨勢(shì)。3型機(jī)車和SS4改機(jī)車主電路特點(diǎn)比較（1）主傳動(dòng)形式SS4改機(jī)車采用傳統(tǒng)的交-直傳動(dòng)形式和串勵(lì)式脈流牽引電動(dòng)機(jī)，具有較成 熟的經(jīng)驗(yàn)，控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單。HXD3型機(jī)車采用交-直-交傳動(dòng)形式和三相交流異步牽引電機(jī)，交流牽引電 機(jī)沒有直流電機(jī)的換向器，避免了環(huán)火問題，維修工作量小，使用壽命長(zhǎng)。同樣 的體積下，交流牽引電機(jī)的重量輕，功率更大。牽引電動(dòng)機(jī)供電方式SS4改機(jī)車采用轉(zhuǎn)向架獨(dú)立供電方式，每臺(tái)轉(zhuǎn)向架負(fù)載兩臺(tái)并聯(lián)牽引電動(dòng) 機(jī)，由一組整流器供電。當(dāng)一組整流器損壞時(shí)，能保留3/4牽引力。HXD3型機(jī)車電源側(cè)采用四象限整流器，電機(jī)側(cè)采用變壓變頻式逆變器向三 相交流異步牽引電機(jī)供電。每臺(tái)牽

26、引電機(jī)由各自的逆變器供電，即軸控方式。由 于整車采用軸控方式，當(dāng)整臺(tái)機(jī)車的6個(gè)軸的輪徑差、軸重轉(zhuǎn)移及空轉(zhuǎn)等可能引 起的負(fù)載分配不均勻時(shí)，均可以通過牽引變流器的控制進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn) 最大限度地發(fā)揮機(jī)車牽引力。整流調(diào)壓電路SS4改機(jī)車采用三段不等分順控橋控制，平滑調(diào)節(jié)整流電壓，這樣可以使機(jī) 車功率平滑變化，機(jī)車功率因數(shù)較高，諧波電流降低。其采用單相半控橋式全波 整流電路。為改善牽引電機(jī)換向性能，在機(jī)車主電路中設(shè)有平波電抗器，在牽引 電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組兩端并聯(lián)了固定分路電阻。為提高機(jī)車功率因數(shù)和改善通訊干 擾，機(jī)車增設(shè)了 PFC裝置。HXD3型機(jī)車采用四象限脈沖整流電路，將單相交流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的

27、750 V 直流電壓。四象限脈沖整流電路是將升壓斬波與整流電路結(jié)合起來，使輸人電流 近似正弦波并與網(wǎng)壓同相。其特點(diǎn)是屬于升壓整流方式，要求輸入電壓低于輸出 電壓，其輸入側(cè)功率因數(shù)較高，接近于1。采用IGBT作為其功率器件后，調(diào)制 頻率提高，因而控制響應(yīng)速度加快，當(dāng)其輸入端或輸出端發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng) 能很快作出響應(yīng)，快速調(diào)節(jié)使輸出保持穩(wěn)定。四象限整流器是一個(gè)脈寬調(diào)制變流器，它將電源的交流電壓，通過脈沖寬 度和相位控制，控制中間直流電壓的幅值和流入牽引整流器的交流電流波形和相 位，使交流電流的波形盡量接近正弦外，同時(shí)使得交流側(cè)的基波電流的相位差接 近于0，這樣既限制了諧波電流分量，又提高了機(jī)車功

28、率因數(shù)。與相控整流器比 較，四象限整流器有很高的功率因數(shù)，諧波電流含量也小得多。電制動(dòng)方式SS4改機(jī)車采用加饋電阻制動(dòng)，電制動(dòng)功率為5300kW。每節(jié)車四臺(tái)牽引電 機(jī)主極繞組串聯(lián)，由一臺(tái)勵(lì)磁半控橋式整流器供電。每臺(tái)轉(zhuǎn)向架上的兩臺(tái)牽引電 機(jī)電樞與各自的制動(dòng)電阻串聯(lián)后，并聯(lián)在一起，并與主整流器串聯(lián)。HXD3型機(jī)車采用再生制動(dòng)，可將動(dòng)能部分轉(zhuǎn)換成電能并回送到接觸網(wǎng)上， 節(jié)能環(huán)保，其電制動(dòng)功率為7200kW（65km/h或70km/h120km/h）（25t/23t軸重）。（5）調(diào)速方式SS4改機(jī)車采用削弱勵(lì)磁電流的電阻分路法，三級(jí)磁場(chǎng)削弱。HXD3型機(jī)車采用改變異步電動(dòng)機(jī)供電電源的頻率即所謂的變頻調(diào)

29、速，節(jié)能 運(yùn)行。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率半導(dǎo)體器件的開發(fā)應(yīng)用，近代交直交型 電力機(jī)車已很好地解決了變頻的問題，使得交流傳動(dòng)機(jī)車的調(diào)速具有平滑無級(jí)的 特性。HXD3型機(jī)車采用由電壓型四象限脈沖變流器和三相逆變器組成的牽引變 流器進(jìn)行調(diào)速，使得功率因數(shù)接近于1。3型機(jī)車和SS4改機(jī)車變流裝置比較變流裝置用于直流和交流之間電能的轉(zhuǎn)換，并對(duì)各種牽引電機(jī)起控制和調(diào)節(jié) 作用，從而控制機(jī)車的運(yùn)行。SS4改型機(jī)車，靠變流器把來自接觸網(wǎng)的電能變換為適合于牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 的形式，其任務(wù)是整流，將已經(jīng)降低幅值的交流電壓變換為直流電壓。所以此處 的變流器實(shí)質(zhì)上是整流器，而且主要用自然換相的可控整流器。該機(jī)車采用單相 半控橋式全波整流電路。HXD3型機(jī)車，每臺(tái)機(jī)車裝有兩臺(tái)變流裝置，每臺(tái)變流裝置內(nèi)含有三組牽引 變流器和一組輔助變流器，使其結(jié)構(gòu)緊湊，便于設(shè)備安裝。為了提高裝置的小型化及冷卻性能，牽引變流器采用強(qiáng)制循環(huán)水冷方式。這 種方式具有冷卻效果好、無污染、重量輕、結(jié)構(gòu)上維修方便等特點(diǎn)，是國(guó)際上流 行的冷卻方式。冷卻液采用亞乙基二醇純水溶液，確保在一40C時(shí)不凍結(jié)。另外，牽引變流器的冷卻液和主變壓器（Mtr ）的冷卻油經(jīng)過復(fù)合冷卻器循 環(huán)，依